專利名稱：高電壓挖掘裝置的制作方法
技術領域：
本發明一般涉及推土設備中的挖掘機，尤其是涉及一種用高電壓脈沖電流輔助破裂巖石的挖掘機。
有效的、費用可行的、和安全地使巖石破裂的需求已成為優先考慮的問題，尤其在采礦作業中更是如此。一般來說，當發現大的巖石或其他特別堅硬的材料時，采用常用的鉆孔和用化學炸藥爆破的方法，這些方法不僅有危險性，而且費時間。
一些推土設備，如履帶式拖拉機，配備有挖掘機。采用常用的拖拉機和挖掘機配套設備，駕駛員使車輛在同一塊地面上至少要通過二次。在第一次通過時，駕駛員操作挖掘裝置，這通常是通過驅動駕駛室內的挖掘桿來完成的。當挖掘機被拖過地面，地面即被破裂或裂開。由于大部分工作是通過挖掘機的端部完成的，因此效率很低。因而端部磨損很快，必須經常調換。而且，用常用的挖掘機不能破裂或打碎某些地面材料。
一種已提出的方案是通過一對電極用高電壓脈沖使地面堅硬的材料破裂。大多數這些方法需要將兩電極埋入地面至一定深度，該深度與所需破裂的深度相適應，這往往需要一附加的鉆孔步驟，以得到該深度。其他脈沖方法需要將被破裂的地面材料和電極浸沉在水或其他液體中。
本發明的主要目的在于克服前述的一些問題。
本發明的一個方面，提供一種輔助推土機破裂材料的裝置，該裝置包括一具至少有一個挖掘機和一個電極的挖掘機構，該裝置能產生電能，并通過挖掘機構將電能釋放到要破裂的材料中去。
本發明的另一方面，提供一種輔助推土機破裂材料的裝置，該裝置包括一具至少有一個挖掘機和一個電極的挖掘機構，該裝置可加熱材料的表面且通過挖掘機構將電能釋放到材料中去。


圖1是根據本發明的一種實施例的推土機、拖車和裝在拖車上的挖掘機構的示意圖;
圖2是根據本發明的另一種實施例的推土機和裝在推土機上的挖掘機構的示意圖;
圖2A是根據本發明的一種實施例圖1和圖2挖掘機構的具有磁隔離電極的示意圖;
圖3A是根據本發明的一種實施例的單挖掘機和電極結構的頂視圖;
圖3B是根據本發明的一種實施例的雙挖掘機和單電極結構的頂視圖;
圖3C是根據本發明的一種實施例的組合式挖掘機和電極結構的頂視圖;
圖4是根據本發明的一種實施例的、具有動力轉換裝置、整流裝置、儲能裝置、保護裝置、開關裝置和控制裝置的發電裝置的方框圖;
圖5是圖4中的整流裝置的電路圖;
圖6A是圖4中的儲能裝置的電路圖;
圖6B是圖4中的保護裝置的電路圖;
圖7是圖4中的開關裝置的方框圖;
圖8是圖7中的開關的示意圖;和圖9是圖4中的控制裝置的邏輯圖。
參見圖1和2，本發明或高電壓掘進裝置102適于輔助推土機104破碎材料106，在較佳實施例中，推土機104是履帶式拖拉機(TTT)。履帶式拖拉機104包括車體134和發動機(大致由標號136指示)，履帶式拖拉機104還包括由駕駛員操縱的、用于使履帶式拖拉機104運動的裝置138，在較佳實施例中，運動裝置138包括履帶140。
該裝置102包括挖掘機構108。在一實施例中，挖掘機構108安裝在由履帶式拖拉機104拖動的拖車128上，如圖1所示;在另一實施例中，挖掘機構108直接安裝在履帶式拖拉機104上，如圖2所示。
挖掘機構108包括機架110和至少一個挖掘機112，每一挖掘機112具有桿體114和尖端116，每一挖掘機112的尖端116是可拆卸的，以便當尖端116磨損時可以調換。挖掘機構108適于由履帶式拖拉機104拖過材料106。在一實施例中，挖掘機112是沖擊挖掘機，如圖2所示。挖掘機和沖擊挖掘機在現有技術中是眾所周知的，因此，不作進一步討論。
驅動裝置120使挖掘裝置108移動，挖入材料106中，驅動裝置120包括至少一個液壓缸122、122′，使挖掘機112移動和轉動，挖入材料106中。
挖掘裝置108還包括觸頭118。觸頭118包括電極130和護罩132。挖掘裝置108適于使觸頭118移至與材料106相接觸。在一實施例中，當驅動時，觸頭118由彈簧偏壓與材料106相接觸;在另一實施例中，觸頭118由液壓驅動。
裝置124產生電能，并通過挖掘機構108將電能輸入材料106中。在較佳實施例中，電能以高電壓脈沖的形式輸入材料106中。
在較佳實施例中，電能產生和擴散裝置124密封在容器中且被絕緣油包圍。
加熱裝置126加熱材料106的表面，以防止表面產生火花。在一實施例中，加熱裝置126用管子將發動機136排出的廢氣送至挖掘裝置108，并通過護罩132將廢氣射向材料108的表面。在另一實施例中，加熱裝置126引導流動在電極周圍的電壓絕緣氣體，例如六氟化硫(SF6)氣體，護罩132僅起包容氣體的作用。在又一實施例中，護罩132或分開的護罩142向下延伸基本上到電極130的端部。在再一實施例中，金屬的或其他合適材料制成的擋風罩146可以用于起包容氣體的作用，如圖2中的虛線所示。
在另一實施例中，如圖2A所示，挖掘機構包括磁性隔離體144，它將電輸出導入材料中，以防止表面產生火花。如圖所示的磁性隔離體144連接在電極130和接觸電極130′之間。在較佳實施例中，磁性隔離體144包括一個低電感單回路電磁線圈，該低電感單回路電磁線圈產生強磁通密度，一般在10-20特斯拉范圍內。
參見圖3A，在一實施例中，挖掘機構108包括單個挖掘機112和單個觸頭118，發電裝置124通過挖掘機112和觸頭118將電能輸入材料106中。
參見圖3B，在另一實施例中，挖掘機構108包括第一和第二挖掘機112、112′和單個觸頭118，發電裝置124用每一挖掘機112、112′和觸頭118交替地將電能輸入材料106中。
參見圖3C，在又一實施例中，挖掘機構108包括多個組件306、306′、306″;每一組件306、306′、306″包括單個挖掘機112和單個觸頭118，發電裝置124通過每一組件306、306′、306″可交替將電能輸入材料106中。
參見圖4，發電裝置124包括動力轉換裝置402，在較佳實施例中，動力轉換裝置402將履帶式拖拉機104發動機輸出的機械能轉換成交流電(AC)。在較佳實施例中，動力轉換裝置402包括一發電機(圖中未畫出)和一變壓器，用發電機將機械能轉換成電能在現有技術中是眾所周知的，因此就不作進一步討論了。
整流裝置404將動力轉移裝置402輸出的交流電轉換成直流電(DC)。
參見圖5，整流裝置404具有接收動力轉換裝置402輸出的交流電的第一和第二輸入端502、504，動力轉換裝置402的高電壓變壓器506與第一和第二輸入端502、504相連，高電壓變壓器506的輸出端與橋式整流器508的一側相連，橋式整流器508的另一側與并聯的第一電容器510和第一電阻512相連，第一和第二輸出端514、516連接在第一電容器510和第一電阻512的兩端。
再參見圖4，裝置406接收來自整流裝置404的、直流電(DC)形式的電能和儲存電能，在較佳實施例中，儲能裝置406包括一Marx發生器形式的脈沖發生器。
參見圖6A，儲能裝置406包括分別與第一和第二輸出端514、516相連的第二和第三電阻602、604，第二電容器606連接在第二電阻602和第四電阻608的連接處和第三電阻604和第五電阻610的連接處之間，第三電容器612連接第四和第五電阻608、610。
裝置407保護儲能裝置406不會返回能量。參見圖6B，保護裝置407包括與儲能裝置406的輸出端相連的第四電容器602，第六電阻622一端通過第一二極管624與第四電容器相連，第七和第八電阻626、628分別將第一二極管624的負極和正極連接到第五電容器638上。逆轉開關630具有與第四電容器620相連的一接線端和通過第九電阻632與第五電容器638相連的另一接線端。關斷三極管634的第一接線端與第四電容器620相連，第二接線端與第六和第八電阻622、628之間的連接處相連，第三接線端與逆轉開關630和第九電阻632之間的連接處相連。第十電阻636將第四電容器620的一端連接到第五電容器638上。
當返回能量的大小達到極限時，逆轉開關打開，把返回能量送到一“內部儲存器”，即第五電容器638中，使以后可重新得到。在峰值輸出電壓已達到使返回能量變得最小且把多余的能量送到第五電容器638后，關斷三極管634切斷輸出脈沖(到挖掘部件中的)。
開關裝置408連接在第二電容器606和第四電阻608之間的連接處和在第三電容器612和第五電阻610之間的連接處之間，挖掘機構108在第四電阻608和第三電容器612之間的連接處與儲能裝置406相連。
再參見圖4，開關裝置408接收來自儲能裝置406的電能且通過挖掘可控制地將電能輸入材料中。在較佳實施例中，開關裝置408包括火花放電開關702和釋壓閥708，如圖7所示。
裝置410檢測挖掘機構108上的載荷，產生一表示檢測載荷的信號。在較佳實施例中，載荷測檢裝置410包括一壓力傳感器。
裝置412接收來自載荷檢測裝置410的載荷信號可控制地驅動開關裝置408。
在較佳實施例中，控制裝置412以微處理機為基礎且隨檢測的載荷的變化可控制地驅動開關裝置408。
在較佳實施例中，通過挖掘機構輸入材料中的能量是高電壓脈沖的形式。
在一實施例中，控制裝置412隨載荷信號的變化而改變擴散入材料中的電能的大小，電能的大小通過增加和減少高電壓脈沖的工作循環可予以改變，這可以通過改變脈沖持續時間或改變脈沖的周期來達到。
在另一實施例中，控制裝置412交替變換脈沖的極性，即在一脈沖期間，電流從電極130流至挖掘機112，而在下一脈沖期間，電流從挖掘機112流至電極130。
一般來說，高電壓脈沖的大小在0.1至1兆伏(MV)范圍內，在較佳實施例中，高電壓脈沖的大小為250千伏。
一般來說，高電壓脈沖的持續時間在0.01至100微秒范圍內，在較佳實施例中，高電壓脈沖的持續時間為1微秒。
參見圖7，開關裝置408包括開關元件或開關702，在較佳實施例中，開關702為一通過增加或減少開關702內氣體在開啟值和關閉值之間的壓力來驅動的火花放電開關，氣體在開啟值情況下作為絕緣體，而在關閉值情況下成為短路。應該認為其他形式的開關也可以使用，因此本發明并不限于任何特定的開關。
參見圖8，開關702包括殼體820。在較佳實施例中，殼體802包括基體820和第一和第二端部或端蓋806、810，殼體802具有以軸線812為中心的一般為圓形的橫截面，基體820和第一和第二端蓋806、810形成一加壓腔804，第一和第二端蓋806、810由導電材料制成，最好是一種銅合金。
基體820由絕緣材料制成，在較佳實施例中，基體820由聚碳酸酯制成，基體820的外表面或外壁822最好是開槽的，基體820的內表面或內壁824最好也是開槽的。
在較佳實施例中，第一端蓋806形成一第一電極。然而，本發明并不限于這種形式，第一端蓋和第一極電極以是分開的。
第一電極806具有內表面808，內表面808具有垂直于軸線812的一般為圓形的橫截面，內表面808以沿軸線812的第一方位沿腔804延伸，形成一中空管。
第二電極814具有第一和第二端816、818，在較佳實施例中，第二電極極的第一端816與第二端蓋810相連，第二電極814的第二端818具有垂直于軸線812的一般為圓形的橫截面，第二電極814的第二端818以沿軸線812的第二方位伸入腔804中，第一和第二方位最好是相對的。在較佳實施例中，第二電極814的第二端818至少部分伸入由第一電極806形成的中空管內。
在一實施例中，第一和第二電極由銅制成。在另一實施例中，第二電極包括一尖端部，尖端部最好由鎢或鎢合金制成，一種合適的合金可以買到，即由鎢和銅組成的品名為Elkonite的合金。
在較佳實施例中，第二電極814是錐形的，即第二電極814的第二端部818的厚度向端部逐漸減小，由此增加了第一和第二電極806、814之間的間距。
開關702的工作特性可通過改變第一和第二電極806、814之間的間距而改變。在較佳實施例中，這通過改變第二電極814的外徑來實現。
在較佳實施例中，開關702包括第三電極830，第三電極830與第一電極806電氣相連，第三電極830具有垂直于軸線812的一般為圓形的橫截面且以第一方位沿軸線812延伸。
在較佳實施例中，第二電極814形成一第二中空管，第三電極830伸入由第二電極814形成的第二中空管中，第二和第三電極814、830之間的間距(D1)最好大于第一和第二電極806、814之間的間距(D2)。
開關702可以包括位于由第二電極814形成的中空管內的絕緣芯棒832，絕緣管832增加穩定性，并形成氣體入口826的一部分。
當開關工作時，光導纖維探頭834感測發出的可見光，如圖所示，由于Lexan允許一部分紫外光通過，所以探頭只需要伸入基體820約一半深度。
殼體802通過多個螺釘組合在一起，在較佳實施例中，螺釘用尼龍制成，密封墊圈或O形圈密封端蓋806、810和基體820之間的接合處。
孔836提供使開關702起動的可選擇的紫外線。
再參見圖7，開關702被打開和關閉，以將電能供給載荷704(挖掘機構108和Marx發生器)。在較佳實施例中，載荷704與第一電極806相連，第二電極814與一高電壓能源(整流裝置404)電氣相連。
高壓氣源706提供用于加壓腔804，在較佳實施例中，腔804用六氟化硫氣體(SF6)加壓。
釋壓閥708釋放腔804內的壓力。
在較佳實施例中，腔804用控制裝置412分別通過進氣口826和出氣口828來驅動高壓氣源和釋壓閥706、708來給予加壓和減壓。
參見圖9，為了使裝置102將能量輸入材料中，必須具備三個條件，第一，在挖掘機構108上的載荷必須大于預定的極限值。在第一控制框902中，從壓力傳感器410可得到載荷讀數。在第二控制框904中，壓力讀數與極限值相比較，如果壓力小于極限值，控制返回第一控制框902。否則，在第三控制框906中，駕駛員得到信號。為了使裝置102開始工作，駕駛員必須啟動裝置102，一般來說這是通過一開關(圖中未畫出)實現的。如果駕駛員啟動裝置102(第四控制框908)，控制執行到第五控制框910。在第五控制框910中，裝置102進行一自檢測程序，檢測程序檢測絕緣氣體的儲有量和壓力、絕緣油面高度、開關702內的壓力和電能發生和釋放裝置的其他部分。如果裝置102不正常，駕駛員得到一出錯信號(第六控制框914);如果裝置102正常，然后控制執行到第七控制框916。如果具備所有三個條件，然后裝置102可使挖掘機構108借助于將電能輸入材料中來進行破裂材料。
參見附圖，在工作時，本發明102適于輔助履帶式拖拉機104破裂礦山中的材料。
對于常用的拖拉機/挖掘機設備來說，駕駛員使車輛在同一塊地面上至少要通過二次，在第一次通過時，駕駛員操作掘進裝置，這通常是通過驅動駕駛室內的控制桿來完成的。由于挖掘機被拖過材料，使材料破裂或裂開。由于大部分工作是通過挖掘機112的尖端116完成的，因此效率很低。而且，尖端磨損很快，需要經常調換。
為了加快挖掘過程，當挖掘機112驅動時，本發明102適于產生電能，并將電能擴散入材料中。在較佳實施例中，擴散入材料106中的能量的大小隨材料106而變化，即隨破裂材料所需的工作量而變化，例如，當挖掘機操作時，如果用單獨挖掘機足以容易地破裂材料，則就不需要給予輔助。當挖掘機112挖掘堅硬的材料106時，能量產生和擴散裝置將能量輸入材料106中。載荷檢測裝置410通過檢測材料106作用在挖掘機112的壓力來檢測材料106的硬度、當材料106的硬度增加或減小時，擴散入材料106的能量分別增加和減少。
本發明的其他方面、目的和特征可以通過研究附圖、揭示的內容和所附的權利要求書而得到。
權利要求
1.一種輔助推土機破裂材料的裝置，包括一具有一機架、至少有一個挖掘機和一個電極的挖掘機構，所述至少一挖掘機和所述電極與所述機架可活動地相連；用于使所述至少一個挖掘機移動至挖入所述材料的位置和使所述電極移動至與所述材料相接觸位置的裝置；和用于產生電能且通過至少一個挖掘機和所述電極將所述電能輸入所述材料中的裝置。
2.如權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述至少一個挖掘機是一種沖擊挖掘機。
3.如權利要求1所述的裝置，包括用于檢測所述挖掘機構上的載荷且相應產生一載荷信號的裝置，且其特征在于，所述輸入裝置包括用于接收所述載荷信號且相應改變輸入所述材料中的電能大小的控制裝置。
4.如權利要求3所述的裝置，其特征在于，所述檢測裝置包括一壓力傳感器。
5.如權利要求3所述的裝置，其特征在于，所述電能是高電壓脈沖的形式且所述控制裝置通過增加和減少所述高電壓脈沖的工作循環改變所述電能的大小。
6.如權利要求5所述的裝置，其特征在于，所述控制裝置通過改變脈沖持續時間增加和減少所述高電壓脈沖的工作循環。
7.如權利要求5所述的裝置，其特征在于，所述控制裝置通過改變脈沖周期增加和減少所述高電壓脈沖的工作循環。
8.如權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述電能是高電壓脈沖的形式。
9.如權利要求8所述的裝置，其特征在于，所述輸入裝置交替變換所述高電壓脈沖的極性。
10.如權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述挖掘機構包括一第二挖掘機。
11.如權利要求10所述的裝置，其特征在于，所述輸入裝置通過所述第一挖掘機和所述電極以及通過所述第二挖掘機和所述電極交替將電能輸入所述材料中。
12.如權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述挖掘機構包括至少二組件，每一組件包括一挖掘機和一電極。
13.如權利要求12所述的裝置，其特征在于，所述輸入裝置包括用于通過每一所述組件交替將電能輸入所述材料中的控制裝置。
14.如權利要求1所述的裝置，包括用于加熱所述材料的裝置。
15.如權利要求14所述的裝置，其特征在于，所述加熱裝置包括用于把一絕緣氣體射向所述材料的裝置。
16.如權利要求15所述的裝置，其特征在于，所述絕緣氣體是六氟化硫氣體。
17.如權利要求14所述的裝置，其特征在于，所述加熱裝置包括用于把所述推土機的發動機排出的廢氣射向所述材料的裝置。
18.如權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述電能輸入裝置包括一適于將電能導入所述材料的磁隔離體。
19.如權利要求1所述的裝置，包括用于將所述車輛發動機的機械能轉換成電能的裝置。
20.如權利要求19所述的裝置，包括用于儲存所述轉換的電能的裝置。
21.如權利要求20所述的裝置，包括用于可控制地使所述儲存裝置與所述挖掘機構相互接觸和脫離接觸的開關裝置。
22.如權利要求8所述的裝置，其特征在于，所述高電壓脈沖的大小在0.1至1兆伏范圍內。
23.如權利要求8所述的裝置，其特征在于，所述高電壓脈沖的大小約為0.25兆伏。
24.如權利要求8所述的裝置，其特征在于，所述高電壓脈沖的持續時間在0.01至100微秒范圍內。
25.如權利要求8所述的裝置，其特征在于，所述高電壓脈沖的持續時間約為1微秒。
26.一種輔助一推土機破裂材料的裝置，所述推土機具有一發動機，包括一具有一機架、至少有一個挖掘機和一個電極的挖掘機構，所述挖掘機構與所述推土機可活動地相連，所述挖掘機和所述電極用軸銷相連安裝在所述機架上;用于加熱所述材料表面的裝置;用于使所述挖掘機構移動至挖入所述材料的裝置;和用于產生電能且通過所述挖掘機構將所述電能輸入所述材料中的裝置。
27.如權利要求26所述的裝置，其特征在于，所述電能輸入裝置包括一適于將電能導入所述材料的磁隔離體。
28.如權利要求26所述的裝置，其特征在于，所述電能是高電壓脈沖的形式。
29.如權利要求28所述的裝置，其特征在于，所述輸入裝置包括用于交替變換所述高電壓脈沖極性的裝置。
30.如權利要求26所述的裝置，其特征在于，所述挖掘機構包括一第二挖掘機。
31.如權利要求28所述的裝置，其特征在于，所述高電壓脈沖的大小在10千伏至1兆伏范圍內。
32.如權利要求28所述的裝置，其特征在于，所述高電壓脈沖的大小約為250千伏。
33.如權利要求28所述的裝置，其特征在于，所述高電壓脈沖的持續時間在0.01至100微秒范圍內。
34.如權利要求28所述的裝置，其特征在于，所述高電壓脈沖的持續時間約為1微秒。
35.如權利要求26所述的裝置，包括用于檢測所述挖掘機構上的載荷且相應產生一載荷信號的裝置，且其特征在于，所述輸入裝置包括用于接收所述載荷信號且相應改變輸入所述材料中的電能大小的控制裝置。
36.如權利要求35所述的裝置，其特征在于，所述電能是高電壓脈沖的形式且所述控制裝置通過增加和減少所述高電壓脈沖的工作循環改變所述電能的大小。
37.如權利要求36所述的裝置，其特征在于，所述控制裝置通過改變脈沖持續時間增加和減少所述高電壓脈沖的工作循環。
38.如權利要求36所述的裝置，其特征在于，所述控制裝置通過改變脈沖的周期增加和減少所述高電壓的工作循環。
39.一種適于破裂材料的推土機，包括一具有一發動機和與所述發動機相組合的、用于驅動所述推土機的裝置的 體。一具有一機架、至少有一個挖掘機和一個電極的挖掘機構，所述至少一挖掘機和所述電極與所述機架可活動地相連;用于使至少一個挖掘機移動至挖入所述材料的位置且使所述電極移動至與所述材料相接觸位置的裝置;和用于產生電能且通過所述至少一挖掘機和所述電極將電能輸入所述材料中的裝置。
40.如權利要求39所述的推土機，其特征在于，所述電能輸入裝置包括一適于將電能導入所述材料中的磁隔離體。
41.如權利要求39所述的推土機，其特征在于，所述電能是高電壓脈沖的形式。
42.如權利要求39所述的推土機，其特征在于，所述輸入裝置包括用于交替變換所述高電壓脈沖極性的裝置。
43.如權利要求39所述的推土機，其特征在于，所述挖掘機構包括一第二挖掘機。
44.如權利要求39所述的推土機，包括用于加熱所述材料表面的裝置。
45.如權利要求41所述的推土機，其特征在于，所述高電壓脈沖的大小在10千伏至1兆伏范圍內。
46.如權利要求41所述的推土機，其特征在于，所述高電壓脈沖的大小約為250千伏。
47.如權利要求41所述的推土機，其特征在于，所述高電壓脈沖的持續時間在0.01至100微秒范圍內。
48.如權利要求41所述的推土機，其特征在于，所述高電壓脈沖的持續時間約為1微秒。
49.如權利要求39所述的推土機，包括用于檢測所述挖掘機構上的載荷且相應產生一載荷信號的裝置，且其特征在于，所述輸入裝置包括用于接收所述載荷信號且相應改變輸入所述材料中的電能大小的裝置。
50.如權利要求49所述的推土機，其特征在于，所述電能是高電壓脈沖的形式且所述輸入裝置通過增加和減少所述高電壓脈沖的工作循環改變所述電能的大小。
51.如權利要求50所述的推土機，其特征在于，所述輸入裝置通過改變脈沖的持續時間增加和減少所述高電壓脈沖的工作循環。
52.如權利要求50所述的推土機，其特征在于，所述輸入裝置通過改變脈沖的周期增加和減少所述高電壓脈沖的工作循環。
全文摘要
一種裝置輔助推土機破裂材料，該裝置包括具有至少一個挖掘機和一個電極的挖掘機構，該裝置產生電能且通過挖掘機構將電能輸入材料中。
文檔編號E02F5/32GK1076983SQ9211323
公開日1993年10月6日 申請日期1992年11月18日 優先權日1991年12月2日
發明者喬治·G·科迪那, 莉莉亞娜(Nmi)格蘭嘉勒, 羅勃特·J·普賴斯, 托馬斯·J·理查茲 申請人:履帶拖拉機股份有限公司